固定邊界水流流場數值模擬技術的研究與實現

王朝陽

【摘 要】目前，對于河流數值模擬技術方法眾多，本文在此基礎上，引進國外先進的SMS二維數值水流模擬平臺，并以金沙江陳家溪河段為研究對象，詳細介紹先進的固定邊界水流流場數值模擬技術。

【關鍵詞】SMS軟件平臺；二維流場；數值模擬

【Abstract】At present， the techniques of numerical simulation method is numerous， in this paper， based on this， the introduction of foreign advanced SMS 2-d numerical flow simulation platform， and in jinsha river Chen jia river section as the research object， and introduced advanced fixed boundary flow field numerical simulation technology.

【Key words】SMS software platform； A two-dimensional flow field； The numerical simulation

0 前言

目前，常用的研究方法還是以原型觀測與物理模型試驗為主，但是，這兩種方法具有一定的局限性，原型觀測難以從一個整體的角度去研究水流動態，往往只能研究一個局部的水流形態，而物理模型試驗比例尺就是一個非常頭疼的問題，常常在長寬高、流速、流量、時間等因素采用正態比尺的情況下，試驗場地的糙率，模型沙的直徑、重度都不能很好的采用正態比尺去匹配。

因此只能根據經驗采用相似的變態模型，導致試驗結果在一定程度上失真。同時，物理模型要占用大片試驗場地，耗時耗力，而模型數據則具有時效性，容錯率較低，一次測量疏忽或者數據漏測，就有可能導致試驗反工重復，造成不必要的經濟損失。因此，目前各高校以及科研單位都在努力開發數值模擬計算軟件，以期通過建立水流平面二維模型，通過數值模擬計算來得到相應的計算結果。在此背景下，本文將以先進的地表水流流場模擬軟件SMS為平臺，以金沙江陳家溪河段為研究對象，探討固定邊界水流流場數值模擬的步驟與過程。

1 模型建立

要建立水流平面二維模型，首先要導入電子坐標底圖，然后按照自定義間距生成計算網格，并把電子坐標數值離散到各網格節點上，然后再輸入包括上游流量、下游水位、糙率等控制條件，形成二維水動力計算模型，檢查完相應關鍵指標后，由二維數值計算模型程序執行計算命令，最后生成研究區域的水流平面二維流場計算結果。

二維流場建立流程如圖1所示。

（1）導入底圖

導入底圖是建立模型的基礎，目前，底圖導入以CAD格式文件為主。

（2）定義網格節點，輸入數據

選擇網格類型（考慮網格穩定性，一般為三角網格），定義網格節點間距，生成二維網格模型，隨后將高程數據點導入，并離散到各個網格節點上。

（3）網格質量檢查

在模型質量檢查中檢查網格質量，按照質量好壞，其網格顏色依次為黑色、綠色、藍色、紫色、紅色，顏色越鮮艷表示網格質量越差，需要手動調整網格節點。

（4）模型控制條件輸入

模型控制條件包括模型邊界條件（如上下游水位、流量等等），以及模型參數（包括紊動能系數、動力傳遞系數、糙率等等）。

（5）模型計算運行

點擊模型計算命令，由軟件平臺自動完成計算。

2 計算結果顯示與輸出

根據計算結果，可以顯示流場、水位、水深等所需要的水利因子，本節以金沙江陳家溪河段為研究對象，以一年一遇設計流量為計算工況，將計算結果顯示列出（圖2）：

（a）流場分布

（b）水位分布

3 計算結果驗證

選擇研究河段4個斷面，將實測值與計算值對比情況列于表1。

從表1計算精度實測驗證結果來看，本文建立模型誤差率較小，能很好的滿足精度要求。

4 結論

隨著各高校、科研單位對水流研究的重視，對于水流數值模擬技術應用的發展也逐漸提高，本文引進先進的SMS計算軟件，詳細的分析了固定邊界水流流場模擬技術，從模擬結果來看，本文建立模型誤差率較小，基本都控制在5%以內，能很好的滿足精度要求。

【參考文獻】

[1]謝龍.三峽變動回水區末端段復合水動力條件分析及對泥沙輸移的影響[D].重慶：重慶交通大學，2013.

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[責任編輯：湯靜]